Wi-Fi 6:雙頻併發和160MHz誰更實用?

作者 : 邵樂峰, EE Times China

絕對的高速率並不是Wi-Fi 6的賣點,圍繞著網路容量擴展和效率進行部署才更關鍵。那麼,Wi-Fi 6如何獲得成功?讓所有的特性「一步到位」?還是分階段實現?

不同於10年或20年前Wi-Fi與生活的關係,如今,更多行動終端的興起以及智慧家庭的廣泛應用,使得家庭成為高密度Wi-Fi使用場景;各種手遊以及雲端服務催生了大量家用網路需求,消費者希望享受到更高頻寬、更低延遲、更能完全保障家中智慧終端機的連接體驗,全屋高品質的無縫Wi-Fi連接覆蓋成為更多人的追求;在大型公眾場所中,智慧化建設當中高品質、高可靠的無線網路也成為數萬使用者以及園區智慧裝置管理連接的重要橋樑。

從市場研究公司的資料來看,2017-2022年間,全球行動資料流量將增加7倍。其中,視訊佔有率將從目前的50%成長至80%,無線傳輸將佔全部IP流量的70%,Wi-Fi將分流59%的行動資料。IDC預計,2019年第三季WLAN市場整體規模達到2.3億美元,其中,Wi-Fi 6在2019年第三季開始從一些主流廠商陸續登場,達到了470萬美元的銷售規模。預計2020年,Wi-Fi 6將在無線市場中大放異彩,僅中國市場規模就接近2億美元。

要解決的不單是「快」

然而,技術的應用和服務類型的多元化,包括像4K視訊等對於高頻寬與低延遲要求較嚴苛的應用,對頻寬要求不高但需要可靠穩定連接的應用,如物聯網(IoT),以及其他類型的應用等。在高密度使用場景下,現有Wi-Fi網路會出現共用通道使用干擾問題,其有限的輸送量也會對於城市熱點或園區覆蓋帶來盲點。

為了改善Wi-Fi網路性能,可以從三方面來思考。高通(Qualcomm)產品經理葉思崑表示:「首先,無論終端距離AP遠近,都需要保證該終端具備較高的連接速率;其次,在晶片設計時,從底層解決多終端使用者接取問題,確保多終端同時連接時能高效率地完成各項Wi-Fi任務;第三,高性能的CPU以及硬體加解密能力,有助於加快使用者加入網路、連接和傳輸資料的速度。」

在此背景下,Wi-Fi 6技術的出現就有效解決上述問題。在網路容量上,它比以前最高層級的Wi-Fi 5 (802.11ac)再提高了4倍;使用效率也提高了(包括多用戶使用效率和頻寬使用效率);另外,Wi-Fi 6還可以改善Wi-Fi網路覆蓋和性能,不管對於AP遠近,能有效提高Wi-Fi網路覆蓋。

然而,絕對的高速率並不是Wi-Fi 6最關鍵的賣點,而是在於如何為使用者提供所有的資料,且品質滿足對於服務的需求,所以這是一個關於整體網路容量的問題,而非在Wi-Fi網路中的某個節點連到AP的最快發送速率。因此,無論是網路建設、終端裝置、晶片研發,都應該圍繞著網路的容量擴展和效率進行部署。

Wi-Fi 6成功的關鍵

8×8 MU-MIMO和OFDMA是Wi-Fi 6成功的關鍵。

MU-MIMO並非全新的技術。此前在Wi-Fi 5中,網路通訊協定能實現的功能就是Wi-Fi 5 Wave 2的AP可以同時向多個支援MU-MIMO的用戶端發送資料封包,其最大規格是4×4 MU-MIMO,即同時向4個終端共用下行的MU-MIMO資料封包。值得注意的是,Wi-Fi 5的規範裡只有下行MU-MIMO功能。

Qualcomm, Wi-Fi 6

而今的Wi-Fi 6從兩方面加以升級:第一是上行和下行都支援MU-MIMO,不僅從AP向終端發送資料封包時能以一個資料封包同時發送給多個終端節點,同時這幾個終端節點也能夠協調,同時發送資料封包給AP端、網路上行。資料封包同時到達AP進行解碼,同時接收所有的資料封包,從而提高了效率。

從4×4 MU-MIMO提升到8×8 MU-MIMO,就是以前每個資料封包每次只能組合4個終端,現在可以組合8個了。這當然不是說MU-MIMO網路中只有4個或8個終端,而是每一畫格(frame)中最多容納4-8個終端,整個網路的容量達到上百個是沒有問題的,這就明顯提高了效率。

而在調變方面,Wi-Fi 6新增的OFDMA調變方式能同時支援上行和下行。以前相當於在同一畫格中只有一個標準的資料封包,傳給用戶端時無論畫格大小,從網路通訊協定的角度來看,在通道發送方面額外的系統開銷都是一樣的。而OFDMA是在蜂巢式應用中普遍應用的技術,主要的優勢在於把各種大小的資料封包從調變的角度組合在一起,從而降低系統開銷,以及提升了效率。

另一方面,OFDMA的符號的長度也變長了,每一個調變訊號的符號長度變成以前Wi-Fi 5的4倍。調變的長度越長,在多路徑的情況下,AP端、用戶端就能有更多的機會充份利用多路徑,透過更寬的視窗把不同角度反射過來的訊號組合在一起。這使得在實際應用中,特別是遠距離傳輸時,在多路徑比較強的情況下的解碼能力增強,穩定度也更大。此外,相較於之前最高支援256QAM,現在的調變可以支援1024QAM,調變碼的密度越大,承載的資料量也就越大,這比以前提高了2-3倍。

除了最關鍵的8×8 MU-MIMO和OFDMA技術,BSS著色(BSS Coloring)和目標喚醒時間(TWT)也是不可忽視的兩項技術。前者可以通俗地解釋為「我的地盤我做主」——針對相鄰通道的網路裝置,6位元著色法使裝置能夠區分相互之間的關係,從而降低其間的干擾,增加每個裝置自身的網路通訊能力;後者可以使等待的終端進入休眠狀態,進而節省行動終端的功耗,大幅提高了終端的可使用時間。

2×2雙頻併發 vs 160MHz頻寬,誰更實用?

Wi-Fi 6標準有很多可選項,160MHz頻寬是其中之一。但目前市面上的5G智慧型手機,最大頻寬支援80MHz,包括高通最新旗艦晶片驍龍(Snapdragon) 865,5GHz頻段僅支持80MHz頻寬。對此,Qualcomm產品市場總監胡鵬表示,對於160MHz頻寬的支援,技術上不是難點,目前沒有馬上支援主要出於幾點考慮。

第一,在5GHz頻段上,160MHz的通道非常少,中國只有1個,歐美有2個。對於中國,這1個通道可能還有一部份跨越到動態頻率選擇(DFS)通道。使用DFS通道時,如果檢測到雷達就要規避,而通道跨度太寬,對於雙方都會造成很大的干擾。因此現階段160MHz的可用性並非那麼迫切。其次,目前市面上支援160MHz的路由器相對較少。

「想想看目前Wi-Fi的問題是因為頻寬不夠,還是干擾多或覆蓋範圍差等互動問題造成的?基本上都是後者。」在胡鵬看來,儘管目前大部份用戶使用的還是2.4GHz Wi-Fi,但在5GHz頻段上,Wi-Fi 5的2×2 MIMO在80MHz頻寬下就可以達到867M的輸送量,實際有效輸送量可以達到接近700M。如果可以同時利用2.4GHz和5GHz這兩個頻段,兼顧2.4GHz的穿牆效果和5GHz的無線環境,目前來看比160MHz更加實用。

胡鵬解釋,2×2+2×2雙頻併發(concurrency)技術是Wi-Fi非常重要的特性,相當於把兩個2×2 Wi-Fi整合在一起,雖然有一定的硬體成本,但極具實用性。考慮到目前市面上有很多支援雙頻Wi-Fi的路由器,即使不是Wi-Fi 6的路由器仍然可以使用。而160MHz本身是很好的技術,拓寬了通道、提升了輸送量,但Wi-Fi 6E才是160MHz發揮優勢的階段,因為有了6GHz頻段的支援,160MHz頻寬才能發揮作用。

Qualcomm, dual mode

Wi-Fi 6E需要軟硬體重新設計

Wi-Fi 6E是近期另一個較熱門的話題,它把Wi-Fi 6的協議從現在的雙頻2.4GHz、5GHz拓展至6GHz頻段,E代表Extended。Wi-Fi 6E與Wi-Fi 6的差異主要是在原有的頻段上加入全新的6GHz頻段(5925-7125MHz,共1.2GHz頻寬)以容納更多的通道數。今年2月,高通基於Wi-Fi 6E的架構還進行了端對端的OTA展示。

胡鵬表示,目前來看,手機端還需要新的硬體更新。首先,Wi-Fi 6E增加對於6GHz頻段的支援,這一頻段對射頻(RF)等各方面的要求完全不一樣,不管是硬體設計還是其他週邊都不同。由於Wi-Fi 6E目前還處於展示階段,商業化要到後續才能實現,所以現有的產品簡單透過軟體升級也無法支援。

葉思崑補充說,其實不論是路由器、網路還是手機端,都會因為RF的不同而在設計上有本質的差異,包括濾波器、RF前端模組(FEM)等,而不僅僅是由主晶片決定,所以針對Wi-Fi 6E是一個完整的解決方案。因此,Wi-Fi 6E增加了對新頻段的支援,在路由器側也需要硬體的升級。

端對端Wi-Fi 6 解決方案

高通針對路由端推出了Wi-Fi 6平台Networking Pro系列。據葉思崑介紹,作為第二代Wi-Fi 6解決方案,Networking Pro系列目前最高支援12路空間資料流的Wi-Fi 6連接,每個接取點最多支援1,500個用戶,可併發處理37個OFDMA用戶,以及同時處理8路MU-MIMO資料串流。

為了滿足智慧家庭應用需求,高通並在Networking Pro系列中嵌入IoT連接模組,可同時支援藍牙和ZigBee連接、音視訊和語音功能。此外,除了透過單台路由器來擴展Wi-Fi覆蓋,基於Qualcomm Wi-Fi SON (自組織網路)技術,Networking Pro同樣能滿足使用者對網路品質和全屋覆蓋的更高需求。

FastConnect子系統則是Qualcomm針對行動端推出的SoC平台,最新的FastConnect 6800支援Wi-Fi 6和藍牙5.1,包括UL/DL OFDMA、UL/DL MU-MIMO、2.4GHz/5GHz 1024-QAM調變、8路串流探測(8-stream Sounding)、TWT和WPA3協議。

qualcomm, FastConnect

「支援2×2+2×2雙頻併發是我們與市場上其他方案相較最具差異化的技術特性之一。」胡鵬解釋說,之前大部份雙頻手機的Wi-Fi都不支援基於即時雙頻併發(1×1+1×1)的雙Wi-Fi功能,直到去年8-9月後,OPPO、vivo和小米等OEM才開始有部份手機推出基於FastConnect 6200的即時雙頻Wi-Fi(1×1+1×1)特性。

而6800則在此基礎上更進一步,2×2+2×2雙頻併發可使搭載該方案的智慧型手機同時接取AP的兩個頻段2.4GHz和5GHz,並在每個頻段上支援兩路資料串流進行傳輸(即2×2@2.4GHz+2×2@5GHz),為使用者帶來更高的資料速率。透過2×2+2×2雙頻併發技術結合1024QAM高階調變,單一終端峰值速率可提升至近1.8Gbps。

此外,支援2×2+2×2雙頻併發特性的智慧型手機,還可以同時接取一個AP(支持2.4G和5G運行的雙頻AP)或者兩個不同AP(分別支援兩個頻段的AP),甚至兩類不同裝置,大幅提高與路由器進行配置的靈活性。

發表評論